DE4326666C1 - Kapazitiver Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Sensoren mit diesem Grundaufbau sind z. B. aus der DE 25 23 446 C2 (WYLER) bekannt. Der Stator bildet ein Gehäuse, in dem sich in festem Abstand zwei Elektrodenplatten gegenüberstehen. Die Elektrodenplatten bilden Kreisflächen. Zwischen diesen Elektrodenplatten ist in dem Gehäuse eine federnde Membran mit ihrem äußeren Ringsegment eingespannt. Die zentrale Fläche ist als Elektrode ausgebildet und wirkt als auslenkbare Kondensatorplatte.

Die Membranelektrode bildet mit den jeweils gegenüberliegenden Statorelektroden eine Kapazität, deren Veränderung bei Auslenkung der Membranelektrode aufgrund von Beschleunigungen oder Neigungen gemessen werden kann. Eine geeignete Schaltungsanordnung zur Messung der Kapazitätsänderung ist z. B. aus der DE 41 07 366 C1 (LEICA) bekannt.

Die federelastischen Stege können entsprechend der bereits genannten DE 25 23 446 C2 durch versetzt unterbrochene konzentrische Schlitze in der Membran oder entsprechend der EP-PS 0 368 802 (WYLER) durch spiralförmige Schlitze gebildet werden.

Aus der DE 36 25 411 C2 (MBB) ist ein kapazitiver Beschleunigungssensor mit denselben Funktionselementen bekannt, die in mikromechanischer Fertigungstechnologie und Ätztechnik hergestellt werden. Die einander gegenüberliegenden Elektrodenflächen sind quadratisch und das Auslenkteil wird über dünne Federbänder an den Ecken des Quadrats gehalten. Ein zentrales Auslenkteil mit quadratischer Fläche ist auch aus der EP 0 395 922 A1 (VEB MIKROELEKTRONIK) bekannt, bei der die Stege durch polygonzugartige Schlitze gebildet werden, die parallel zu den Seiten des Quadrats verlaufen.

Neben der Formgebung ist für den Aufbau des kapazitiven Sensors auch die Materialwahl wichtig, da die die Elektroden tragenden Teile gegeneinander elektrisch isoliert werden müssen. Auch die Elastizität des Auslenkteiles ist in Bezug auf Hysterese und Alterungsprozesse stark materialabhängig. Neben metallischen Teilen für das Gehäuse und das Auslenkteil sind in der bereits genannten EP 0 395 922 A1 bereits Glas, Keramik und Silizium vorgeschlagen worden.

Das allen kapazitiven Sensoren der eingangs genannten Art gemeinsame Konstruktionsprinzip besteht darin, das Auslenkteil an seinem äußeren Umfang im Statorgehäuse einzuspannen, und zwar symmetrisch zwischen zwei einander gegenüberliegenden Statorelektroden. Das ausgewählte Material und die Formgebung sind dabei konstruktiv so miteinander zu kombinieren, daß thermische und mechanische Einflüsse die Nullagengenauigkeit des Auslenkteiles auch im Langzeitbetrieb nicht beeinträchtigen. Durch zusätzliche fluidische oder gasdruckabhängige Dämpfungsmaßnahmen und mechanische Auslenkungsbegrenzungen müssen außerdem Querschwingungen und Überdehnungen der federelastischen Stege verhindert werden. Die bekannten Sensoren bestehen daher häufig aus einer Vielzahl von Teilen, die sorgfältig miteinander zu verbinden und zueinander zu justieren sind.

Das allen kapazitiven Sensoren der eingangs genannten Art gemeinsame Meßprinzip besteht darin, die Kapazitätsänderung zu bestimmen, die bei einer Verlagerung der Auslenkelektrode in Richtung auf eine der Statorelektroden hin auftritt. Meßbar sind daher nur die Beschleunigungskomponenten senkrecht zur Ebene der Elektroden.

Ein in drei Achsen der Beschleunigung messender Sensor ist aus EP 0 547 742 A1 (MOTOROLA) bekannt. Durch mikromechanische Fertigungs- und Ätztechnik wer­ den aus einem Halbieitermaterial drei zueinander parallele Ebenen hergestellt, die mit elektrisch leitenden Flächenelementen versehen werden. Die mittlere Ebene ist als Membran ausgestaltet, die entweder an ihrem äußeren Rand an federnden Armen angehängt ist oder im Zentrum auf einem Sockel gehalten wird, wobei vom Zentrum ausgehende federnde Arme die Randbereiche der Membran halten. Durch die spezielle Formgebung der Membran und die Struktur der Flächenele­ mente in den beiden weiteren Ebenen werden mehrere zueinander symmetrisch liegende kapazitive Systeme geschaffen. Die Symmetrie dieser Systeme definiert ein dreidimensionales Koordinatensystem. Durch die beschleunigungsabhängige Verlagerung einzelner Membranbereiche in den kapazitiven Systemen ergeben sich Signalkomponenten für jede Koordinatenrichtung. Der Aufbau des Sensors wird als mechanisch relativ robust und meßtechnisch empfindlich angegeben. Die Herstellung ist jedoch sehr aufwendig und erfordert spezielle Prozeßtechnologien.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, den Aufbau und die Montage des Sensors zu vereinfachen und größere Freiheiten für die Materialauswahl für Stator- und Auslenkteil zu schaffen. Außerdem sollte der Sensor mit herkömmlichen Fertigungs- und Prozeßtechnologien herstellbar sein.

Diese Aufgabe wird bei einem Sensor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Statorelektrode als geschlossener Ring ausgebildet ist. Die Auslenkelektrode wird dabei durch das äußere Ringsegment des Auslenkteiles gebildet und die zentrale Fläche des Auslenkteiles ortsfest mit dem Statorteil verbunden. In der einfachsten Ausgestaltung wird nur eine einzige Statorelektrode benötigt. Die Signalauswertung läßt sich jedoch wesentlich verbessern, wenn dabei gegen eine die Nullage der Auslenkelektrode repräsentierende Referenzkapazität gemessen wird.

Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maßnahmen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 6.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensors schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Sensors mit zentral aufgehängter Auslenkelektrode gegenüber einer einzigen Statorelektrode,

Fig. 2 einen Sensor mit zentral aufgehängter kreisring­ förmiger Auslenkelektrode und dazu symmetrischen Statorelektroden,

Fig. 2a eine Schnittdarstellung dazu,

Fig. 3 einen Sensor mit zentral aufgehängter quadratisch ringförmiger Auslenkelektrode,

Fig. 3a eine Schnittdarstellung dazu,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines weiteren Sensors mit zentral aufgehängter Auslenkelektrode.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand dieser Ausführungsbeispiele näher beschrieben, wobei in den Figuren gleiche Funktionselemente jeweils mit denselben Bezugsziffern versehen werden.

In Fig. 1 ist das das Statorteil bildende Gehäuse 10 einstückig als flacher Topf aus Keramik hergestellt. Aus dem Boden ragt ein Zapfen 9 heraus, auf dem eine elektrisch isolierende Abstandshülse 8 aufgeschoben ist oder durch einen entsprechenden Absatz am Zapfen 9 gebildet wird. Über den Zapfen 9 ist die zentrale Fläche 11 des Auslenkteiles geschoben und mit der Abstandshülse 8 und dem Zapfen 9 fest verbunden. Die Auslenkelektrode 12 ist über federelastische Stege 13 mit der zentralen Fläche 11 verbunden. Das Gehäuse 10 kann in eine Nut in einer Trägerplatte 7 eingeklebt oder eingeschraubt sein. Es ist jedoch auch möglich, den Zapfen 9 zu verlängern und in die Trägerplatte 7 als zentrale Halterung des Sensorgehäuses einzulassen. Der Rand des Gehäuses kann dann frei über der Trägerplatte 7 oder in der dargestellten Nut schweben. Mögliche Verspannungen des Sensorgehäuses mit Auswirkung auf die Sensorelektroden werden dadurch minimiert.

Auf dem Boden des Topfes und der Auslenkelektrode 12 gegenüberliegend ist eine ringförmige Statorelektrode 14 angeordnet, die mit einem elektrischen Anschluß 15 versehen ist. Ein weiterer elektrischer Anschluß 16 stellt über eine freie Leitung, die über die federelastischen Stege 13 geeignet fortgeführt ist, die Signalverbindung zur Auslenkelektrode 12 her.

Bei sorgfältigem Aufbau der Auswertelektronik kann überraschenderweise die Kapazitätsänderung zwischen der Statorelektrode 14 und der Auslenkelektrode 12 bei einer Abstandsänderung in ± Z-Richtung direkt gemessen werden. Es ist jedoch vorteilhaft, dabei von einer Referenzkapazität auszugehen, die die Nullage der Auslenkelektrode 12 gegenüber der Statorelektrode repräsentiert. Diese Referenzkapazität läßt sich in einfacher Weise dadurch schaffen, daß auf dem Boden des Topfes um den Zapfen 9 herum eine weitere Elektrodenfläche 6 mit elektrischem Anschluß 5 angebracht wird und die zentrale Fläche 11 des Auslenkteiles auch als Elektrode ausgebildet wird. Bei einer Lageveränderung der Auslenkelektrode 12 bleibt die durch die Elektrode 6 und die zentrale Fläche 11 gebildete Kapazität konstant.

In der Figur sind die notwendig elektrisch leitenden Flächen des Auslenkteiles 11, 12, 13 verstärkt gezeichnet, um diese für den Fall hervorzuheben, daß das Auslenkteil auch aus einem keramischen Material hergestellt ist.

In Fig. 2 ist das Gehäuse 10 in Aufsicht in der Ebene des Auslenkteiles dargestellt. Dieses besteht aus einer zentralen Fläche 11 und einem äußeren Ringsegment als Auslenkelektrode 12, die beide über federelastische Stege 13 miteinander verbunden sind. Der Abstand a zwischen der Auslenkelektrode 12 und der Gehäusewandung ist so gewählt, daß Querauslenkungen der Auslenkelektrode auf das mechanisch zulässige Maß begrenzt werden.

Aus der Schnittdarstellung in Fig. 2a ist die Lage der symmetrisch zur Auslenkelektrode 12 angeordneten Statorelektroden 14, 14′ ersichtlich, die gleiche Kreisringflächen bilden. Die beiden Statorelektroden sind mit elektrischen Anschlüssen 15, 15′ versehen, die aus dem Statorgehäuse 10 herausgeführt sind. Wenn das Gehäuse aus einer elektrisch nicht leitenden Keramik besteht, können die Anschlüsse 15, 15′ direkt durch die Gehäusewandung hindurchgeführt werden, andernfalls ist auf ausreichende elektrische Isolierung gegenüber dem Gehäuse 10 zu achten. Die Statorelektroden 14, 14′ können auf die Gehäusewandung aufgedampft oder aufgeklebt sein. Bei einem metallischen Gehäuse ist auch hier auf entsprechende Isolierung zu achten.

Das Auslenkteil ist mit seiner zentralen Fläche 11 auf einem aus der Gehäusewandung hervorstehenden Zapfen 8/9 befestigt, so daß das äußere Ringsegment 12 in der Ruhestellung symmetrisch zwischen den beiden Statorelektroden 14, 14′ liegt. Die elektrische Verbindung 16 zur Auslenkelektrode 12 erfolgt über die zentrale Befestigung des Auslenkteiles. Wenn dieses beispielsweise aus einer flachen, geätzten Siliziumscheibe besteht, bilden die federelastischen Stege 13 auch die elektrische Verbindung zwischen der zentralen Fläche 11 und der Auslenkelektrode 12. Bei einem Auslenkteil aus Keramik müßten geeignete Leitungswege und Elektrodenflächen auf beiden Seiten des Ringsegmentes aufgebracht werden.

In Fig. 3 ist eine quadratische Ausführungsform des Auslenkteiles dargestellt. Sie besteht z. B. aus einer CuBe-Folie, aus der die polygonzugartigen Stege 13 herausgeätzt sind. Die Schnittdarstellung in Fig. 3a zeigt die zentrale Befestigung des Auslenkteiles und einen Auslenkungszustand der Auslenkelektrode 12 in Z-Richtung, d. h. senkrecht zur Ebene der Fläche 11. Aufgrund der Geometrie des Auslenkteiles sollen Querauslenkungen in Richtung senkrecht zu den Kanten der Auslenkelektrode mit X und Y bezeichnet werden, und zwar in der Zeichenebene nach oben und rechts als positiv.

Die konstruktiven Vorteile der zentralen Befestigung des Auslenkteiles werden insbesondere aus den beschriebenen Schnittdarstellungen deutlich. Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der Stator-Gehäuseteile gegenüber dem Auslenkteil haben praktisch keinen Einfluß mehr. Materialpaarungsprobleme sind also beseitigt. Die Gehäuseteile können aus einheitlichem Material zusammengefügt werden. Es gibt keine Zwischenschichten aus besonderem isolierenden oder anderem Material für die Auslenkelektrode. Die zentrale Aufhängung kann wegen der kleinen Einspannfläche spannungsarm gehalten werden und ist einfach zu realisieren. Insbesondere ergeben sich vorteilhafte Vormontagemöglichkeiten der Gehäusehälfte mit der Auslenkelektrode. Die mechanische Eingrenzung der Querbewegungen der Auslenkelektrode kann einfach durch die Abmessungen des Gehäuseinnenraumes erfolgen.

Anhand des in Fig. 4 im Schnitt dargestellten Ausführungsbeispiels sollen weitere vorteilhafte Details erläutert werden, die bei der Realisierung des erfindungsgemäßen Sensors zu beachten sind. Das Massenverhältnis der Auslenkelektrode zu den federelastischen Stegen ist so gewählt, daß die Auslenkelektrode tatsächlich als seismische Masse im Gravitationsfeld wirken kann. Die äußere Umfangsfläche 20 der Auslenkelektrode 12 ist relativ groß und erzeugt gegenüber der inneren Gehäusewandung einen Spaltkanal. Die Luftabstände aller Flächen der Auslenkelektrode zu den inneren Gehäusewandungen sind so gewählt, daß bei plötzlich auftretenden Verlagerungen der Auslenkelektrode infolge von Vibrationen oder zu starken Beschleunigungen die in den Spalten befindliche Luft nur gegen einen wirksamen Strömungswiderstand entweichen kann. Das sich dadurch vorübergehend aufbauende Luftpolster wirkt als Dämpfung gegen Vibrationen und dient im Zusammenwirken mit der Federkonstanten der Stege 13 als Überlastungsschutz für die Auslenkelektrode. Bei extremen Anforderungen kann auch eine Flüssigkeit zur Dämpfung eingesetzt werden. Entlüftungslöcher 21 im Statorgehäuse dienen zur Vermeidung von barometrischen Effekten.

Der Zapfen zur Befestigung des Auslenkteiles ist von einem höheren zylindrischen Gehäuseteil 22 umgeben, der evtl. Streukapazitäten zu den anderen Elektroden in dem Gehäuse reduzieren soll und auch an dieser Stelle für einen engen Luftspalt gegenüber der seismischen Masse der Auslenkelektrode sorgt. Bei einem metallischen Gehäuse erzeugt eine besonders leitende Befestigungsfläche 23 ein definiertes elektrisches Potential.

Für einen wirksamen Überlastungsschutz der Auslenkelektrode ist die Federkonstante der Stege so zu bemessen, daß die bei normalen Betriebsbedingungen auftretende Auslenkung zu der maximal möglichen Auslenkung im Verhältnis kleiner als 1 : 5 steht.

Für eine stabile und genaue Kapazitätsbestimmung über eine Strommessung, so wie sie in der bereits genannten DE 41 07 366 C1 beschrieben ist, wird über den elektrischen Anschluß 16 ein Signal in den Sensor eingespeist.

Claims (6)

1. Kapazitiver Sensor zur Messung von Beschleunigungen und/oder Neigungen gegenüber dem Gravitationsfeld mit einem ein Gehäuse (10) bildenden Statorteil, das mindestens eine feste Elektrode aufweist, und einem dieser Elektrode gegenüberliegenden Auslenkteil, das eine bewegliche Elektrode bildet und aus einer zentralen Fläche (11) und einem äußeren Ringsegment (12) besteht, die beide über federelastische Stege (13) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorelektrode (14) als geschlossener Ring ausgebildet ist, die Auslenkelektrode durch das äußere Ringsegment (12) gebildet wird, die zentrale Fläche (11) des Auslenkteiles ortsfest mit dem Gehäuse (10) verbunden ist, und eine die Nullage der Auslenkelektrode (12) repräsentierende feste Referenzkapazität vorgesehen ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander gegenüberliegende ringförmige Statorelektroden (14, 14′) mit dazwischenliegendem Auslenkteil (11, 12, 13) vorgehen sind.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzkapazität durch eine in dem Gehäuse (10) angeordnete weitere Elektrodenfläche (6) und die elektrisch leitend ausgestaltete zentrale Fläche (11) des Auslenkteiles gebildet wird.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkelektrode (12) eine zylindrische Umfangsfläche (20) aufweist.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zylindrischen Umfangsfläche (20) der Auslenkelektrode (12) und der Statorgehäusewandung ein als Strömungswiderstand wirkender enger Luftspalt besteht.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Auslenkung der Auslenkelektrode im Statorteil und die unter normalen Betriebsbedingungen entstehende Auslenkung der Auslenkelektrode gegen die Federkraft der Stege durch konstruktive Maßnahmen so begrenzt werden, daß das Verhältnis der Auslenkungen kleiner als 5 ist.